火災環境下鋼結構廠房熱力耦合研究

【中圖分類號】 TU312\\*.3

【文獻標志碼】 A

0 引言

鋼材是一種優質的建筑材料，與混凝土相比具有很大的優勢，因此廠房結構廣泛采用鋼結構設計。然而鋼材本身雖然不具有燃燒性但不耐火，一般的非耐火鋼材在溫度較高時強度會有明顯的下降[1]。廠房是火災易發區，據國家消防救援局統計，2022年共接到各類廠房火災1.8萬起，傷亡378人，損失超過15億元，因此火災環境下鋼結構的力學特性分析是結構抗火的重要研究內容。

過去的火災下鋼結構力學分析是基于標準升溫曲線研究，王衛永、陳成等[2-3]對鋼構件火災力學特性進行分析。但對于整體分析，采用ISO834標準升溫曲線作為熱加載方式的鋼結構的升溫規律和力學響應行為與真實火災場景下相比差異顯著，故將鋼結構升溫過程與力學響應進行耦合是一種行之有效的方法。薛辰等[4對箱板裝配式鋼結構進行熱力耦合分析探究該結構在火災下的破壞模式。Chen等[5]創建了FDS與Abaqus耦合工具包AFIST，便捷了結構熱力耦合力學分析。李思禹等[]通過Abaqus對青島西站鋼屋架結構進行耐火分析，為設計提供參考。段進濤等[7]以結構整體為研究對象，提出了基于FDS和Abaqus的火-熱-結構耦合分析，更為精確模擬了真實火災場景下結構力學響應。

實現結構熱力耦合的精確分析關鍵在于模擬真實火災的溫度場，FDS軟件作為一款專業的火災模擬軟件，可以通過對火災溫度場的精確模擬從而獲得各物理量的空間及時間變化過程。而在結構的力學響應分析方面，Abaqus具有優秀的非線性計算能力，可提高分析鋼結構高溫下的塑性變化的準確性。本文通過對某大型廠房進行熱－力耦合分析，將FDS計算的結構火災溫度場用于Abaqus模型中，實現結構真實火災場景下的力學分析。

1 工程概況

廠房結構為 (27+7+27 ） m 鋼框架結構，屋脊高13.7m ，平面尺寸為 65m×14m ，梁、柱、支撐和標條均采用Q235鋼，柱采用 H488×300×11×13 型鋼，梁和支撐采用 H340× 250×9×14 型鋼，標條采用C20a鋼，并采用鋼屋架，分析過程中廠房三維模型見圖1。設計荷載參考GB50009-2012《建筑結構荷載規范》要求：恒荷載為1.3倍自重，活荷載為1.5倍上人屋面荷載，上人屋面荷載為 2.0kN/m² （圖1）。

圖1廠房三維模型

2 火災場景模擬

2.1 火災場景設計

火災場景是對某特定火災，從引燃或者從設定的燃燒狀態到火災增長至最高峰，再到逐漸熄滅等發展階段，以及火災所造成的破壞的描述，本文依據建筑的防火分區、火源分布等情況預測發生火災后結構中煙氣和溫度變化規律進行火災場景設計，通過FDS軟件模擬火災時火災發生位置、火源熱釋放速率與最大規模。設置火源發生位置時，本文綜合考慮廠房的可能發生火災頻率、發生后的危害程度等方面，模擬時將火源按照固定型火源進行設置，火源位置定于最外側框架中部。對于火源釋放速率，國內多采用 t² 模型；此外在火災場景設計中，根據火災增長速度的不同， t² 燃燒進一步分為慢速、中速、快速和超快火[9]，根據廠房可燃物種類，屬于快速增長火。對于火災最大規模，根據GB51251-2017《建筑防煙排煙系統技術標準》1規定的穩態熱釋放速率，建筑的使用功能為廠房并考慮最不利情況水噴淋失效，設置最大熱釋放速率為8.0MW，固體穩定火源面積為 1.0m× 1.0m ，被布置在木質桌面上，設定其單位熱釋放速率HR-RPUA(HeatReleaseRatePerUnitArea)為 8000.0kW/m² ，根據式(1)計算 t=426 s時達到最大熱釋放速率。

式中： Q 為單位時間內釋放的熱量， (?kW) ； α 為火災增長系數， kW/s². ） t 為火災有效燃燒的時間，（s）。

2.2 火災模擬

目前常用的火災模擬方法有兩種：區域模擬和場模擬。區域模擬的基本思想是將室內分成上部熱煙層和下部冷空氣層，每層氣體的性質在空間上一致。煙霧和空氣在界面處不進行質量和能量交換，而僅通過羽流進行。然而，區域模擬對于幾何形狀復雜、火源強、通風強的建筑，尤其是大空間建筑模擬的結果與實際情況相比可能存在顯著誤差，因此本文采用FDS軟件進行場模擬。

本文按真實結構尺寸1:1進行建模，并設置所有門窗為常開狀態，用以熱氣流的傳導和煙氣的擴散。FDS中需要提前設置熱電偶來測量火災過程中的溫度及其他參數的變化，為了獲得火災下整個室內的溫度場，需要在關鍵位置建立足夠的熱電偶。本文將室內空間根據高度和跨度分成21個區域，每一榀框架的各區域中心處設置1個熱電偶，共計63個。另外為了更直觀地展示火災發展過程中溫度分布情況，在模型 X，Y 向和 Z 向各分區處建立了溫度切片，FDS模型及測區布置如圖2、圖3所示。

圖2 FDS模型

888888

2.3 溫度場計算結果

為方便觀察火災下室內空間空氣溫度場的分布規律，將火災變化趨勢更直觀地呈現，提取最大熱釋放速率 t=426 S時結構火災空氣溫度場，如圖4所示。

圖3測區布置

由圖4可知火源位于廠房中央時空氣場溫度與結構一致呈對稱分布，離火源較近的10、11、12分區溫度較高，1、2、3、13、14、15 分區由于離地面較近接近室溫 20°C 。提取典型分區時間-溫度曲線見圖5，與ISO標準升溫曲線進行對比可知，室內溫度在440s之后逐漸趨于穩定，除火源所處分區外，其余分區時間－溫度曲線均低于標準升溫曲線，說明采用FDS模擬計算結果較于標準升溫曲線更符合實際情況。

圖5各分區時間-溫度曲線

3熱－力耦合分析

3.1 材料屬性

在ABAQUS中建立與FDS相同規格的有限元模型，彈性模量為 206000MPa ，泊松比 v_s=0.3 ，屈服強度為215MPa ，高溫下的應力－應變模型使用EUROCODE3中提出的不考慮強化的光滑曲線材料模型為計算模型。屈服強度折減系數及應力－應變關系如圖6、圖7所示。

圖6EUROCODE3鋼材屈服強度折減系數

圖4 t=426 s火災空氣溫度場

圖7EUROCODE3不同溫度應力－應變曲線

3.2 位移分析

取邊跨屋鋼梁的中點和屋脊最高點豎直方向的位移進行分析，獲取時間位移曲線如圖8所示，曲線中正值為豎直向上，負值為豎直向下，結果表明無論是屋脊還是鋼梁中點，520s 前位移均為先減小后增大，這是因為開始結構受到恒-活靜載作用影響，構件向下變形，而后在火災溫度場影響下，結構膨脹使構件向上變形，在560s左右升高至66mm ，此時鋼柱屈曲，整體結構失穩，結構位移急劇下降，最后穩定至 -100mm ，表明火災后鋼梁性能恢復不明顯。

圖8時間-位移曲線

3.3 應力分析

取廠房位置如圖9所示鋼柱GZ1的下段和中段、GZ1與鋼梁相交的兩個節點位置與位于結構中部鋼梁GL1、GL2為研究對象分析其受力情況。獲得如圖10、圖11所示各構件應力時程曲線，可知各構件隨溫度升高而受熱膨脹，但由于周邊約束的作用無法自由變形導致應力發生變化。GZ1下段在火災作用下，溫度超過 400^°C ，所以其屈服強度隨溫度大幅度減小，由時間-應力曲線可知，鋼柱應力在 0～400 S逐漸增大后逐漸減小，大約在540s達到屈服強度（圖12）。

圖9位置示意

圖10鋼柱不同部位應力時程曲線

比較同一構件不同部位應力時程曲線可以發現火災環境使得構件存在應力不均勻處，大小與溫度有關，設計時應考慮鋼材的熱膨脹效應。

4結論

本文對某廠房的熱－力耦合進行分析，結果表明：采用FDS模擬計算得到的溫度場相較于ISO標準升溫曲線更加合理，火災發生在中間比發生在邊跨處更加不利，故易燃物宜置于廠房邊緣處；火災環境導致構件同一構件的不同部位存在溫差，應力的大小與溫度相關，因此后續鋼結構防火設計時需考慮不均勻熱膨脹的影響。

圖11 鋼梁1不同部位應力時程曲線

圖12鋼梁2不同部位應力時程曲線

參考文獻

[1] 王衛永，張艷紅，李國強.高強鋼高溫下和高溫后力學性能指標的標準值研究[J].建筑結構學報，2022，43（9）：138-150

[2] 王衛永，閆守海，張琳博，等.Q345鋼高溫蠕變試驗及考慮蠕變后鋼柱抗火性能研究[J].建筑結構學報，2016，37(11)：47-54.

[3] 陳成，邵永波，楊杰.T型圓鋼管節點抗火性能的有限元研究[J].工程力學，2013，30(1）：229-235.

[4] 薛辰，秦廣沖，蘭濤，等.箱板裝配式鋼結構火災下的熱力耦合響應分析[J].工業建筑，2023，53（1）：20-29.

[5] ChenLG，LuoC，LuaJ.FDSand Abaquscouplingtoolkitforfiresimulationand thermal andmass fowprediction[C].Proceecings ofthe InternationalSymposium on Fire Safety Science 10th ，Internation-alAssociationforFireSafetyScience，UK，2011:1465-1478.

[6] 李思禹，劉棟棟，陳杲杲.青島西站鋼屋架結構耐火能力分析[J].建筑結構，2018(201）：435-439.

[7] 段進濤，史旦達，汪金輝，等.火災環境下鋼結構響應行為的FDS-ABAQUS熱力耦合方法研究［J].工程力學，2017，34(2):197-206

[8] 建筑結構荷載規范：GB50009-2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[9] 程遠平，陳亮，張孟君.火災過程中火源熱釋放速率模型及其實驗測試方法[J].火災科學，2002（2） :70-125+71-74+62

[10]建筑防煙排煙系統技術標準：GB51251-2017［S].北京：中國計劃出版社，2017.